Барий, его свойства и сплавы

Барий. Химический элемент, символ Ba (лат. Barium, от греч. вarys — тяжёлый — по названию баритовой (тяжёлой) земли, содержащей элемент). Имеет порядковый номер 56, атомный вес 137, 34, плотность 3, 76 г/см3, температуру плавления 710°С, температуру кипения 1640°С.

В свободном состоянии не встречается; геохимические свойства бария определяют рассеянный характер его распространения в горных породах. Относительное концентрирование происходит при гидротермальных процессах; с ними связано образование немногочисленных минералов бария, из которых промышленное значение имеют барит (тяжёлый шпат) BaSO4 и менее распространённый витерит BaCO3.

Барит содержит около 65% ВаО, часто с примесями Sr и Са, реже с Рb и Ra; сингония ромбическая; бесцветный (водяно-прозрачный) или белый, жёлтый, бурый, красный и других цветов, что обусловлено различными примесями; твёрдость 3-3, 5.

Витерит содержит около 78% ВаО, иногда с примесью Sr; сингония ромбическая; бесцветный или белый, но обычно серый или желтоватый; твёрдость 3-3, 5. Оба минерала, особенно более доступный барит, являются не только исходным сырьём для получения различных соединений бария, но находят самостоятельное широкое применение в различных отраслях промышленности.

По химическим свойствам (см. также физические и механические свойства бария) самого металла и многих его соединений барий сходен с кальцием и особенно со стронцием и радием, однако по химической активности превосходит кальций и стронций. Он быстро окисляется на воздухе, образуя на поверхности плёнку, содержащую окись и перекись бария (а также нитрид). При нагревании на воздухе барий легко воспламеняется и сгорает; энергичнее кальция разлагает воду с выделением водорода. Хранят барий так же, как щелочные металлы, в керосине.

Барий реагирует со многими элементами.

С кислородом барий соединяется непосредственно, образуя окись ВаО — бесцветные кристаллы, плотностью 5, 98 г/см3, температурой плавления 1923°, легко переходящие на воздухе в карбонат бария и энергично взаимодействующие с водой с образованием гидроокиси бария.

С водородом барий даёт гидрид BaH2 , плотностью 4, 2 г/см3, температурой плавления (с разложением) 675°, бурно разлагающийся водой и кислотами с выделением водорода.

С азотом барий даёт нитрид Ba3N2 , который образуется при нагревании бария в атмосфере воздуха в интервале 260-600° и плавится около 1000°.

С углеродом барий образует карбид BaC2 , аналогичный по свойствам другим карбидам щелочноземельных металлов; он получается при нагревании окиси бария с углём в дуговой электропечи.

С углеродом и азотом барий даёт термически устойчивый цианид Ba(CN)2.

С галогенами барий соединяется непосредственно, давая галогениды; с фосфором образует фосфид Ba3P2устойчивое соединение, получающееся при восстановлении фосфата бария Ba3PO4 углеродом в дуговой электропечи. При нагревании до 1200° сульфата бария с восстановителем образуется сульфид BaS; наряду с сульфидом существует ряд полисупьфидов бария, которые получаются при взаимодействии BaS с S; все они теряют серу и около 400° вновь переходят в BaS. По отношению к сложным газам (СО2, СО, SO2) и парам воды барий ведёт себя аналогично Ca и Sr.

Во всех устойчивых соединениях барий двухвалентен. Однако при взаимодействии с безводным хлоридом BaCl2 металлический барий даёт при нагревании до 1050° монохлорид BaCl, разлагающийся водой с выделением водорода. Растворяясь в жидком аммиаке, барий образует комплексное соединение гексамин Ba(NH3)6; раствор при этом приобретает интенсивную синюю окраску.

Для целей анализа нерастворимые соединения бария переводят в раствор обработкой исследуемого материала соляной кислотой или сплавлением его с содой с последующим растворением в этой кислоте. От Ca и Sr отделяют осаждением в виде хромата в присутствии уксусной кислоты.

Качественно барий обнаруживают по жёлто-зелёному окрашиванию пламени горелки (две характерные линии спектра бария имеют длину волны 455 и 493 мк), а также по образованию осадка с сульфат- и хромат-ионами и по розовому окрашиванию раствора в присутствии родизоната натрия; микрохимически барий определяют в виде BaSiF6.

Количественно барий определяют весовым методом, осаждая его в виде BaSO4 серной кислотой. Для получения осадка BaSO4 может быть использована и сульфаминовая кислота (при этом устраняются загрязнения осадка ионами Fe3+, Mg2+, PO43-, но не Sr2+). В присутствии Ca2+ и Sr2+ барий осаждают в виде BaCrO4 в уксуснокислой среде.

Важнейшим сырьём для производства соединений бария является барит, который восстанавливают углём в пламенных печах: BaSO4 + 4C BaS + 4CO; образующийся растворимый сульфид BaS перерабатывается на другие соли бария. Технически чистый металл (96-98% бария) обычно получают нагреванием в вакууме при 1100-1200° смеси окиси бария с порошком алюминия: 4BaO + Al = BaO . Al2O3 +3Ba. Барий улетучивается, осаждаясь в холодных частях аппаратуры; перегонкой в вакууме металл очищают до содержания в нём 99, 5% бария.

Малые количества металлического бария получают термическим разложением гидрида BaH2; последний для этой цели может быть получен из амальгамы бария, легко образуемой электролитически. Металлический барий хорошо растворяется в расплаве хлоридов щелочноземельных металлов, поэтому производство электролитическим путём чистого металлического бария затруднено. Однако сплавы бария (Pb-Ba, Sn-Ba, Pb-Ba-Ca и другие) могут быть получены непосредственно электролизом смеси солей. Сплав Pb-Ba-Ca, например, получают электролизом смеси BaCl2 + CaCl2 при графитовом аноде и катоде из расплавленного свинца; электролиз расплава ведут до тех пор, пока не образуется сплав 98% Pb и 2% (Ba + Ca).

Техническое значение металлического бария невелико. Барий, а также его сплавы с Al и Mg применяют в технике высокого вакуума в качестве газопоглотителей (геттеров). Иногда барий используется как дезоксидант при рафинировании меди. Некоторые антифрикционные сплавы содержат небольшое количество бария (например, сплав 98% Pb, 1-2% Ba и 0, 5-0, 7% Ca). Добавка бария к свинцу заметно увеличивает его твёрдость; сплавы Pb-Ba находят применение вместо сплавов Pb-Sb в типографских сплавах; сплав Ba-Ni используется в радиолампах.

Разнообразное применение находят соединения бария.

Окись BaO используется для получения перекиси BaO2 и гидроокиси; перекись — для получения перекиси водорода и в пиротехнике для изготовления воспламенительных составов.

Сульфид BaS является важнейшим промежуточным продуктом при переработке барита на соли бария; химической обработкой водного раствора BaS получают бария хлорид, бария карбонат и другие соли.

Сульфид бария используется также как депилаторий для удаления волос со шкур.

Фторид BaF2 применяется для получения эмалей и иногда как добавки в ванну при электролитическом рафинировании алюминия (взамен хлористого бария) по так называемому трёхслойному методу (для поддержания нужной плотности электролита).

Перхлорат бария, существующий при обычных условиях в виде Ba(ClO4)2 . 3H2O, в безводном состоянии энергично поглощает влагу из воздуха и является одним из лучших осушителей.

Титанат BaTiO3 обладает сегнетоэлектрическими свойствами в широком интервале температуры, а также высокой механической прочностью и влагостойкостью; благодаря этим свойствам, а также простому способу производства является одним из наиболее практически пригодных сегнетоэлектриков и пьезоэлектриков.

Цирконат BaZrO3 является высококачественным огнеупорным материалом, ценным для керамической промышленности.

Азид BaN6, будучи термически малостойким соединением, легко разлагается в вакууме, что используется для получения металлического бария.

Ацетат Ba(CH3COO)2 . 3H2O применяется как протрава при крашении шерсти и ситцепечатании.

Окрашенные соли бария являются хорошими пигментами; таковы хромат BaCrO4 (жёлтый пигмент) и манганат BaMnO4 (зелёный пигмент).

Многие соединения бария сильно поглощают рентгеновские лучи и γ-излучение, и поэтому могут служить в качестве защитных материалов в рентгеновских установках (в медицине при диагностике внутренних болезней) и в ядерных реакторах (например, барит BaSO4). BaSO4 также применяется при изготовлении литопона, светлых цветных красок, лаков и высококачественной бумаги.

Соединения бария применяются как инертные носители при извлечении радия из урановых руд и других объектов. Т. к. соли Ra менее растворимы, чем аналогичные соли Ba, то разделение Ra и Ba можно производить многократной дробной кристаллизацией (например, бромидов Ra и Ba).

Растворимые соли бария ядовиты.

 

© П.М.В., 2006-2015

КОНЕЦ

SiteHeart
Кристалл ниобата натрия и бария.

Кристалл ниобата натрия и бария Ba2NaNbO5 преобразует излучение лазера с длиной волны 1, 06 мк (невидимая инфракрасная часть спектра) в световые волны вдвое меньшей длины (зелёная часть спектра).